MIT开发计算机模型设计复杂的DNA形状

工程师使用计算机设计了有史以来最为复杂的DNA三维结构。

麻省理工学院（MIT）生物工程师们开发出了一种新型计算机模型，这种计算机模型可以用来设计有史以来最为复杂的DNA三维结构，比如环形、碗形和与病毒的相似的诸如正二十面体等的几何结构。

据生物工程副教授Mark Bathe称，这种设计程序能让研究员们搭建用于固定蛋白质和光敏分子（用来模仿植物细胞中的光合作用蛋白，被称为生色团）阵列的DNA长链，或者制造用于输送药物或RNA制剂的新型载体。

“一般的思想是借助DNA技术对蛋白质、生色团、RNA和纳米粒子进行纳米量级的空间排列。对三维结构进行纳米量级的精度控制是我们独到方法的核心，” Bathe说道。他是今年12月3日《自然通讯》杂志上发布的一篇叙述了这种新型设计方法的论文的资深作者。

这篇论文的第一作者为Keyao Pan博士后和现为国立首尔大学的教师的前MIT博士后Do-Nyun Kim。论文的其他作者为来自MIT的研究生Matthew Adendorff以及来自亚利桑那州立大学的Hao Yan教授和研究生Fei Zhang。

基于DNA的设计

DNA性质非常稳定，可以很容易地通过改变其序列进行DNA编程，鉴于此，很多科学家都把它作为一种理想的纳米结构材料。大致在2005年，科学家们就开始借助一种叫做DNA折纸术的方法创建微小的二维DNA结构。所谓DNA折纸就是由一条DNA长链和较小的捆绑在支架上的短链一起构成的结构形状。后来这种方法被类比到三维情形。

这些形状的设计比较繁琐和耗时，并且完成它们的合成和实验验证比较昂贵，而且过程缓慢。因此，包括Bathe在内的研究员们开发出了一种用于改善设计过程的计算机模型。2011年。Bathe及其同事们开发出了一种叫做CanDo的程序，使用它可以生成三维DNA结构，但是其只包含有限类型的形状，这是因为这些DNA三维结构必须建立在密集排列的矩形或六边形DNA束框架之上。

新的论文中，Bathe及其同事们公布了一种计算机算法，这种算法能够获取DNA长链和短链的序列，并预测任意编程DNA组件的三维结构。使用这一模型，他们可以创建比以往更加复杂的DNA结构。

新方法对DNA序列进行虚拟分割，将DNA序列分成被称为多路结点的子序列，其为纳米编程DNA结构的基本构成模块。这些结点与DNA自然复制过程中形成的结点相似，由两条并行的DNA螺旋构成，其中长链围着相邻的DNA螺旋交替地展开和缠绕。

DNA被虚拟地分割成这些较小的部分后，那么Bathe的程序就可以将它们重组为较大的编程组件，例如指环形、盘形和球形容器，当然它们的尺寸都是纳米量级的。通过对这些DNA部件序列进行编程，设计师们能轻松地创建任意复杂的结构，包括诸如四面体、八面体和十二面体的对称笼形。

“主要的创新就是我们意识到可以对这些结点进行计算机虚拟分割，然后完全在计算机上完成重组，进而预测它们的三维结构，”Bathe说。“在计算机上预测三维结构正是我们追求的多功能应用的核心。这是因为最终还是三维结构构成了功能主体，而不仅仅是DNA序列。”

没有参与到这项研究的加利福尼亚理工大学资深研究助理Paul Rothemund说，新程序允许研究员们创建比Cando程序更多的结构。

“由于一大部分DNA纳米科技团队目前使用不能被Cando原始程序处理的分子结构，这项工作的进步受到了大家的高度欢迎，”Rothemund说。

研究人员们计划在接下来的几个月内公开他们的算法，以让其他的DNA设计师们也能够从中受益。使用当前的模型版本，设计师们必须提取出DNA序列，但是Bathe希望尽快开发出一款新版本，在新版本中，设计师们只需简单地给计算机模型一个特定的形状，然后就能获取产生这一形状的序列。这将开启真正的纳米量级的3D打印技术，其中所使用的“墨水”就是合成DNA片段。

DNA长链和模具

研究人员们一旦打印出具有任意几何形状的三维纳米量级的DNA目标，那么再与其它种类的分子结合，他们就可以将它们应用于许多不同场合。Bathe说：“这些DNA目标属于被动型的结构长链，它们的功能来自依附于其上的其它分子。”

Bathe目前着手研究的一种分子是一种被称为生色团的捕光色素分子，它是光合作用的一个关键环节。活细胞中，这些分子排列在一种蛋白质长链上，但是对于工程师来说，蛋白质很难合成纳米量级的组件，因此Bathe带领的团队试图使用DNA仿造蛋白质长链结构。

另外一种可能是设计用于仿造由多个蛋白质亚单元构成的细菌毒素组件的长链。例如，志贺毒素由五个蛋白质亚单元组成，构成特定的五聚体结构，以使其不受妨碍地进入细胞。如果研究人员能够复制这种结构，他们可以创建一种有毒部分被抑制的版本，那么剩余部分就可以被用来输送药物和微RNA或信息RNA。

“这种亚单元目标能非常有效地进入细胞，基本不会引起细胞的警戒或被细胞降解，”Bathe说。“我们使用DNA构建长链，作为进入载体部分，然后将其它物质附着其上，诸如微RNA、信息RNA、抗癌药物和其它医疗药物的载体。”

研究员们还把DNA纳米结构作为模具使用，以制造出黄金或其它金属微颗粒。最近的一篇《科学》杂志中，Bathe及其在哈佛大学威斯仿生学工程研究所的同事们证明借助能由计算机模型预测的编程光学属性，DNA模具能够在管子、圆球和更加复杂的结构中塑造黄金和白银，比如Y字形的粒子。这些方法为纳米科学技术的各种应用提供了一种“定制”纳米粒子的设计方法和合成步骤。

这项研究得到了美国海军研究办公室和国家科学基金会的资助。

译自：http://newsoffice.mit.edu/2014/computer-model-for-complex-dna-shapes-1203

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